土的物理性质水理性质和力学性质-安徽理工大学(5)

精品课程《土质学与土力学》 第二章

程度不同，实际上作用于剪切面上的有效压力?不一样大，故得出三种不同大小的强度指标。

一般：?d??cu??u

2．有效应力法

有效应力法是用剪切面上的有效应力来表示土的抗剪强度，即：

??f??tg??c?(??u)tg??c

式中：?,c分别为有效那摩擦角和有效内聚力。

比较：①总应力法较简单，一般用直剪仪测定，有效应力法较完善，能较好的模拟实际固结情况，一般用三轴剪切仪测定。

②总应力法的慢剪强度指标?d,Cd实际上与有效应力强度指标?,c相等，在没有三轴仪时，可用慢剪试验测定?d,Cd。

（四）土的流变特性与动力特性 1．土的流变特性

土的变形及强度不仅决定于外力的大小，而且受到时间的影响，对粘性土来说尤其明显。 蠕变：在长期不变的剪应力作用下，剪切变形随时间而缓慢增长的现象。

应力松弛：当变形一定时会引起应力随时间而逐渐降低的现象，又称强度的衰减。 蠕变、应力松弛，长期强度为粘性土的主要流变特性。 （1）粘性土的蠕变

蠕变可分为体积蠕变和剪切蠕变。体积蠕变的结果，增大土的压缩量，并使土体进一步压密，例如：欠固结。

剪切蠕变一般就指土的蠕变，即在一定剪切应力作用下土的剪切变形随时间缓慢的增长。土的蠕变特性决定于剪应力大小，一般可分为两种变形。 1）衰减型

当剪应力?小于某一值时，即????时，剪应变随时间逐渐减弱，最后趋向于稳定，应变速率也随之逐渐减小，最后趋向于零，即d?/dt?0。 2）非衰减型

当剪应力大于某一值时，即????时，剪应变随时间不停滞的发展，最后达到破坏。非衰减型蠕变曲线可分为四个阶段。

瞬时变形阶段：剪应力作用后立即产生变形，其值很小； 不稳定蠕变阶段：剪应变速率逐渐减小； 稳定流动阶段：剪应变速率为常数；

破坏阶段：剪切变形速率不断加快，最终导致破坏。

极限值??即土的极限长期强度，当????时，土的蠕变不会引起土体破坏；而当????时，则土的蠕变结果会引起土体的破坏。

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蠕变破坏所需的时间决定于剪应力大小，剪应力值越大，则破坏时间越早。 粘性土的蠕变具有粘塑性和粘滞性流变特性，其实质是由于粘粒周围的水化膜之粘滞性引起。蠕变的性质除与外荷大小有关外，主要决定于土的类型，即：成分、结构和所处的物理状态。粘粒越多，蠕变越大，蠕变速率也越大。含蒙脱石的粘土蠕变速率最大，伊利石次之，高岭土最小。

（2）粘性土的长期强度

实验室所测的强度，只是短时间的强度，因此必须研究其长期强度，以取得强度与时间关系曲线（长期强度曲线）

按长期强度曲线，可把强度分为：

瞬时强度：当t=0时的抗剪强度，?f0 长期强度：当剪切时间为t时的抗剪强度，tf?

极限长期强度：当t??时的抗剪强度，即：长期强度随时间不断减弱到某一极限时，

?f?

标准强度：按室内常规试验方法所测得的强度

由此可见，剪切历时愈长，土的?f愈小，只有当土体中剪应力小于土的极限长期强度

?f?时，土体才处于长期稳定状态。

2．土的动力特性

当土体受到如地震、爆破、机械震动、车辆运行等动力作用时，土内必须产生新的压力而引起土的变形。

土在动力作用下的变形可分为弹性变形与残余变形。当动荷载强度较小不超过土的弹性极限时，它所引起的变形主要为弹性变形，弹性模量，泊松比，振动阻尼系数等为其主要动力参数。

当动力强度较大时，它所引起的变形为残余变形，动力越大，变形越大，结果使土的结构破坏，土体压缩沉降，强度减弱，严重者可使土体失去强度而威胁建筑物及边坡等稳定性。 （1）振动力作用下土的密度

在动力作用下，颗粒活动能力增大，致使土的颗粒间连接力削弱，土的压缩性增大，特别对砂土来说尤为显著。砂土在静荷载作用下压缩性小，在一般建筑物荷载下可不予考虑；但在振动荷载作用下，具有较大的压缩性。

在振动荷载作用下，砂土的压缩、饱和砂的液化及软粘土的触变为它们的主要动力特性。 （2）振动力作用下的抗剪强度

振动力作用下土的抗剪强度降低，对砂土来说尤为显著。因为在振动力作用下，砂土颗粒间摩擦力降低，当振动加速度达到某一起始加速度时，砂土的强度随着加速度增大而不断降低。

动荷载对一般粘性土的强度影响不大，而对饱水软粘土如淤泥及淤泥质亚粘土、粘土等则影响显。在振动作用下饱和软粘土的结构会遭到破坏，而使其强度及粘滞性剧烈降低。 （五）影响土的抗剪性的主要因素

土的抗剪强度与钢材、混凝土等材料不同，不是一个定值，而受很多因素的影响，不同地区，不同成因、不同类型土的抗剪强度，往往有很大差别，即使同一种土，在不同的密度、含水量、剪切速率、仪器型式的不同条件下，抗剪强度数值也不相等。

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由公式?f??tg??c可知，影响土的抗剪强度因素就是影响?,?,c的因素，可归纳为两类：

1．土的物理化学性质的影响

（1）土粒的矿物成分、颗粒形状及级配的影响

颗粒越粗，表面越粗糙，棱角状土，??大；

粘土矿物成分不同，土粒表面薄膜水和电分子力不同，内聚力不同。一般：

粘性土含量增多，c?大，??小； 胶结物质可使c?大。

土的塑性指数Ip能综合说明力度和矿物成分的影响，Ip?大 c?大，??小。 （2）土的原始密度的影响

原始密度增大 土粒间表面摩擦力和咬合力越大，即??大； ?f?大 同时e?小，接触紧密，c?大； （3）土的含水量的影响

当含水量增大时，水分在土粒表面形成润滑剂，使??小，对粘性土来说，含水量增加，使薄膜水变厚，甚至增加自由水，则粒间电分子力减弱，c?小。 （4）土的结构的影响，粘性土结构受扰动，c?小。 2．孔隙水压力的影响

由???'?u公式可知，作用在土样剪切面上的总应力为有效应力与孔隙水压力之和，在外荷作用下，随着时间的增长，u?小，?'?大，孔隙水压力作用在土中自由水上，不会产生土粒间的内摩擦力；只有作用在土骨架上的有效应力，才能产生土的内摩擦强度，因此，土的抗剪强度试验条件不同（受力条件、仪器种类等）影响孔隙水排出的程度，亦即影响有效应力的数值，使测出的抗剪强度数值不同。工程上，根据实际地质情况和孔隙水压力消失程度，采用三种不同方法，即：慢剪、快剪、固结快剪，对同一种土样，试验得出的抗剪强度不同，?f慢为最大，?f快最小，?f固快

介于两者之间；即：?f慢>?f固快

>?f快。此外，

动荷载的影响。在动荷载作用下的土的抗剪强度比在静荷载作用下的抗剪强度要小。一般来说，振动强度较大，土的抗剪强度降低愈明显。

三、土的击实性（压实性）

（一）研究土的压实性的实际意义

土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料而成的。为了保证填料有足够的强度，较小的压缩性和透水性，在施工时常常需要压实，以提高填土的密实度（工程上以干密度表示）和均匀性。

研究土的填筑特性常用现场填筑试验和室内击实试验两种方法。前者是在现场选一试验地段，按设计要求和施工方法进行填土，并同时进行有关测试工作，以查明填筑条件（如土料、堆填方法、压实机械等）和填筑效果（如土的密实度）的关系。

室内击实试验是近似地模拟现场填筑情况，是一种半经验性的试验，用锤击方法将土击实，以研究土在不同击实功能下土的击实特性，以便取得有参考价值的设计数值。

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（二）土的击实性及其本质

土的击实是指用重复性的冲击动荷载将土压密。研究土的击实性的目的在于揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律，从而选定适合工程需要和最小击实功。

击实试验是把某一含水率的土料填入击实筒内，用击锤按规定落距对土打击一定的次数，即用一定的击实功击实土，测其含水率和干密度的关系曲线，即为击实曲线。

在击实曲线上可找到某一峰值，称为最大干密度ρdmax，与之相对应的含水率，称为最优含水率wop。它表示在一定击实功作用下，达到最大干密度的含水率。即：当击实土料为最佳含水率时，压实效果最好。 1．粘性土的击实性

粘性土的最优含水率一般在塑限附近，约为液限的0.55～0.65倍。在最优含水率时，土粒周围的结合水膜厚度适中，土粒连结较弱，又不存在多余的水分，故易于击实，使土粒靠拢而排列的最密。

实践证明，土被击实到最佳情况时，饱和度一般在80%左右。 2．无粘性土的击实性

无粘性土情况有些不同。无粘性土的压实性也与含水量有关，不过不存在着一个最优含水量。一般在完全干燥或者充分含水饱和的情况下容易压实到较大的干密度。

潮湿状态，由于具有微弱的毛细水连结，土粒间移动所受阻力较大，不易被挤紧压实，干密度不大。

无粘性土的压实标准，一般用相对密度Dr。一般要求砂土压实至Dr>0.67，即达到密实状态。

（三）影响土的击实性的主要因素

影响土压实性的因素除含水量的影响外，还与击实功能、土质情况（矿物成分和粒度成分），所处状态、击实条件以及土的种类和级配等有关。 1．压实功能的影响

定义：压实功能是指压实每单位体积土所消耗的能量，击实试验中的压实功能用下式表示： N?W?d?n?m

V式中：W——击锤质量（kg），在标准击实试验中击锤质量为2.5kg；

d——落距（m），击实试验中定为0.30m； n——每层土的击实次数，标准试验位27击； m——铺土层数，试验中分三层；

－

V——击实筒的体积，为1×103m3.

同一种土，用不同的功能击实，得到的击实曲线，有一定的差异。

⑴ 土的最大干密度和最优含水率不是常量；ρdmax随击数的增加而逐渐增大，而wop

则随击数的增加而逐渐减小。

⑵ 当含水量较低时，击数的影响较明显；当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。

2．试验证明，最优含水量wop约与wp相近，大约为wop＝wp+2。填土中所含的细粒越多（即粘土矿物越多），则最优含水率越大，最大干密度越小。

3．有机质对土的击实效果有不好的影响。因为有机质亲水性强，不易将土击实到较大的干密度，且能使土质恶化。

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4．在同类土中，土的颗粒级配对土的压实效果影响很大，颗粒级配不均匀的容易压实，均匀的不易压实。这是因为级配均匀的土中较粗颗粒形成的孔隙很少有细颗粒去充填。

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